Solar-to-hydrogen (STH) 효율

STH 변환 효율 (%) = V_os × J_sc × FF / P_in × 100, Si 광음극에서의 PEC HER 반쪽반응 기준. 측정 조건: AM 1.5G / 100 mW cm⁻², 1 M HClO₄ (see Sim et al., J. Mater. Chem. A (2013), Table 1).

모든 값은 Sim et al., J. Mater. Chem. A (2013), Table 1 참조. 촉매 미사용 NW의 경우(0.48%)는 핵심 비교 사례로, nanostructure-enhanced-PEC를 통한 나노구조화가 silicon-nanowire-photocathode에서 Pt를 부분적으로 대체할 수 있음을 보여준다.

paper_032 — 평면형 Si 위 N-도핑 그래핀 (AM 1.5G 100 mW cm⁻², 1 M HClO₄):

모두 Sim et al., Energy Environ. Sci. (2013), Table S₁ 및 p. 6 참조.

비교 불가 구조: paper_032(평면형 Si + NGr 촉매)와 paper_025(나노구조 NW, 촉매 없음, 0.48%)는 형태 및 촉매가 상이하므로 성능 순위로 해석해서는 안 된다. Pt–NGr–Si의 3.05%(패시베이션된 NGr 표면에 직접 무전해 도금된 Pt)는 paper_025의 NW+Pt(1.20%)를 상이한 조건에서 초과하며, 조건 명시 없이 순위 비교에 인용해서는 안 된다.

paper_059 — Li-ZnO 강유전체 NW 광양극 (무인가 전압, 2전극, Pt 상대전극, AM 1.5G, 조촉매 없음):

Lee et al., J. Mater. Chem. A (2016), Fig. 4b 참조. ⚠ STH는 Jsc로부터 추정된 값으로, 직접적인 기체 발생 검증이 보고되지 않음; 자외선 흡수만 가능; Jsc는 5초 이내에 0.4 → 0.16 mA cm⁻²로 감소(캐리어 축적, OER 조촉매 없음). "200% 향상"이라는 주장은 논문 내 양방향 대 음방향 비교이며 절대적 벤치마크가 아니므로, 재료·반쪽반응·지표가 상이한 위의 Si NW STH 값과 교차 순위 비교를 할 수 없다.

paper_061 — MoS₂/p-Si HER (ABPE, STH 아님): n-MoS₂-p-Si-photocathode (13 nm) ABPE = 0.86% 최대, OCV = 0.46 V (see Kwon et al., Energy Environ. Sci. (2016), Fig. 3a caption). ⚠ ABPE ≠ STH — ABPE는 인가 전압 기여분을 포함하므로 위의 STH 항목(paper_025/032)과 교차 순위 비교를 할 수 없다.

paper_063 — Pt/TiO₂-NR/p-Si (η_IRC, STH 아님): Pt-TiO₂-NR-Si-photocathode η_IRC = 2.5% (3전극 이상적 재생 셀 효율, η_IRC = Vmp × Jmp / Is, Coridan et al. 기준; see Andoshe et al., J. Mater. Chem. A (2016), Fig. 4a, Eq. 1, p. 9482). ⚠ η_IRC는 3전극 지표(ABPE에 준하며 STH가 아님) — 위의 2전극 STH 값과 교차 순위 비교를 해서는 안 된다. 논문에서는 자체 η_IRC 2.5%가 SrTiO₃ 참조값 4.9%(Ji et al. 2015)에 미치지 못함을 인정하면서, 0 V에서의 더 높은 Jsc(+37%)와 안정성을 장점으로 제시한다.

paper_075 — 플라즈마-2층 CVD 그래핀 / 평면형 p-Si (ABPE, STH 아님): double-layer-graphene-photocathode는 ABPE = 0.32% 도달(AM 1.5G, 100 mW cm⁻²; see Sim et al., ACS Appl. Mater. Interfaces (2017), Table S₁ / Fig. S₃) — bare Si 대비 64배 (0.005%); 발표 당시 탄소 기반 평면형 p-Si 중 최고 수준으로 보고됨. ⚠ ABPE ≠ STH — 지표와 구조(평면형 vs NW; ABPE는 인가 전압 포함)가 상이하므로 Si NW + Pt STH 1.20%(paper_025) 또는 NGr–Si STH 0.16%(paper_032)와 교차 순위 비교를 할 수 없다. 2층 최적화는 graphene-layer-count-band-alignment에 기인한다.

paper_083 — PV-Conv-EC 시스템 (실제 PV + 2전극 전해조; 진정한 STH): PV-Conv-EC-system (직렬 2개 GaAs-solar-cell-NREL 26.5% + 벅 dc/dc 컨버터 + MEA EC)은 STH = 20.6%, PV-to-H₂ 변환 78% 달성(see Chang et al., ACS Omega (2017), Table 1, Fig. 3c):

컨버터 매개 이득은 MPPT-converter-PV-EC-decoupling에서 비롯된다. ⚠ 위의 광전극 항목들과 구조적으로 구별됨 — 이는 실제 PV 구동 2전극 전해조(진정한 STH)이며, 단일 광전극이 아니다. 20.6%는 논문에서 인용된 최신 PEC(~10%) 및 광촉매(~5%) 벤치마크를 초과하지만, 비교 패러다임이 상이하므로 표의 각 행은 자기 일관적인 시스템 설계 사다리로 해석해야 하며, Si/MoS₂/그래핀 광전극 행과의 직접 비교에 사용해서는 안 된다.

paper_095 — PEC-RED 하이브리드 (태양광 + 염도 구배; 순수 STH 아님): PEC-RED-hybrid-cell (NiMo-photocathode + RED-stack + Ni-foam-anode)은 펌프 보정 시스템 효율 ~0.55–1.8% 달성(유량 3–9 mL min⁻¹ 범위; 펌프 오버헤드 전체 전력의 4–19%; see Lee et al., Sci. Rep. (2017), Supplementary Tables S₂–S₃). ⚠ 이는 하이브리드 시스템(이중 에너지 입력: 광자 + 염도 구배)으로, 위의 모든 단일 입력 PEC/STH 항목과 구조적으로 구별된다. 이중 입력으로 인해 순수 STH 값과의 직접 효율 비교는 오해를 야기하므로 교차 순위 비교를 해서는 안 된다. RED 전압 부가(RED-dual-function-separator-voltage-source)가 무보조 운전을 가능하게 하는 핵심 요소다.

paper_099 — 폴리도파민-CNS / 평면형 p-Si (ABPE, STH 아님): 평면형 p-Si 위 polydopamine-CNS 조촉매는 ABPE = 0.59% 달성(AM 1.5G, 100 mW cm⁻², 1 M HClO₄ pH 0; see An et al., Bull. Korean Chem. Soc. (2018)). ⚠ ABPE ≠ STH, 또한 평면형 Si + CVD-프리 탄소 조촉매 구조는 위의 항목들과 상이하다. 플라즈마-2층 CVD 그래핀 ABPE 0.32%(double-layer-graphene-photocathode, paper_075)와 비교 시: CNS가 절대 ABPE 기준으로 높으나, 전사 방법·박막 두께·N 도입 방식 등 구조가 상이하여 직접 순위 비교는 적절하지 않다.

paper_106 — CNW–SiNW 계층적 광음극 (ABPE, NW 형태): CNW-SiNW-photocathode는 ABPE 1.86% (Step 3) 대 bare silicon-nanowire-photocathode 0.91% 달성 (AM 1.5G 100 mW cm⁻², 1 M HClO₄; see Moon et al., Nanoscale (2018), Fig. 4b, Table S₁). ⚠ ABPE ≠ STH, 또한 NW 형태는 구조적으로 평면형 Si 대비 더 높은 Jsat 및 광포획 특성을 지니므로, 1.86%는 평면형 Si ABPE 항목(paper_099 CNS 0.59%, paper_075 플라즈마-2층 그래핀 0.32%)과 직접 교차 순위 비교를 할 수 없다. 해당 문헌의 Table S₁에는 외부 N-GQS/SiNW 결과(ABPE 2.29%, 개시 전압 +0.26 V, Energy Environ. Sci. 2015, 8, 1329 — paper_035/047 클러스터)도 수록되어 있으며, 이는 CNW의 1.86%를 초과한다. 문헌의 "기타 탄소 촉매와 경쟁적" 주장은 이를 기준으로 해석해야 한다.